起爆药连续化合自动控制系统研究*

2013-08-02张建浩陈敏慧陈小松郑挺军

机械研究与应用 2013年2期

冯勃，张建浩，陈敏慧，陈小松，郑挺军

(中国兵器工业集团第213研究所，陕西西安 710061)

1 前言

因起爆药的特殊性能，它在国防军事中有着不可替代的作用，在航天、航空、兵器等许多方面应用广泛。随着我国军事现代化的快速发展，高性能武器装备的不断研制，对于高质量起爆药的需求也日益增涨。但在起爆药生产中一直存在两个关键问题:安全和质量一致性。因起爆药的本身性质，决定其在生产中存在高危性，传统间歇生产方式也影响起爆药的质量一致性。为解决起爆药生产中的两个关键问题，实现高效、安全的自动化生产，起爆药采用程序控制连续化生产，边加料边出料，这样不仅可使粒度控制均匀且得率也高，提高产品质量的同时又确保生产安全［1］。

2 起爆药连续化合总体结构及工艺流程

起爆药连续化合过程见图1，操作人员预先配置好的原料分别放置在2个原料桶里，通过2台计量泵，按设定的速度加入到反应釜内，在一定的温度、搅拌速度下进行化学反应，反应生成起爆药。在初始工位上放置空药盒，工作转台每次转动90°，依次完成出料、水洗、酒精脱水，反应过程的母液通过真空泵抽入废液槽。

图1 起爆药连续化合系统设备结构示意图

3 控制系统硬件构成

为实现起爆药的程序控制连续化生产，并保证可靠性，控制系统分为现场级与远程级。选择PLC作为下位控制器，工控机作为PLC的上位机，工控机上运行Windows XP操作系统和组态软件WinCC，上位机通过CP561l通讯卡按MPI方式与下位机通讯，以图形和表格形式显示系统运行状态，发出控制命令并完成报警、归档和报表打印等消息处理。下位机采用西门子S7-300 PLC可编程控制器，PLC向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制指令［2］。现场的输入、输出信号经过隔离栅与PLC的输入、输出模块连接，隔离栅可以保护PLC模块，同时使控制柜内、外自成系统，便于维护。为确保系统的安全，PLC运行控制时完全独立于上位机，即使上位机出现故障或者关机的情况下，PLC也能独立通过控制继电器、接触器等电气元件实现对计量泵、工作转台、出料阀等现场设备的控制［3］，如图2所示。

图2 控制系统硬件结构图

4 系统软件设计

4.1 PLC程序的设计

起爆药连续化合控制系统PLC程序设计采用顺序功能设计法，该法则用输入量I控制代表各步的编程元件(例如存储器位M)，再用它们控制输出量Q［4］。顺序功能设计法简单、规范、通用，程序结构清晰，易于调试修改，编程软件采用西门子公司STEP7 V5.4，使用梯形图语言编写。

4.1.1 顺序功能法设计PLC控制程序

图3为起爆药连续化合自动控制系统的顺序功能图，在起始步M0.0完成系统运行的初始化，满足初始条件后，点击控制面板上的启动按钮，在工作模式下选择自动，系统开始运行。在步M0.1后是1个并行序列的分支，3个分支实现不同的功能，第1个分支完成出料，第2个分支完成水洗，第3个分支完成酒精脱水。在3个选择分支功能序列最后是1个合并步，当 3 个步 M0.8、M1.3、M2.6 同时为活动步时，系统进行转换，进入废液抽滤序列。在步M3.3之后有1个选择分支，当按住双手开关时，系统完成了一个完整的循环，进入下一次循环。当生产任务完成后，按下停止按钮，系统回到初始步，如果按下启动，并选择自动模式，系统开始重新运行。

图3 控制系统顺序功能图

4.1.2 程序的结构及调用

PLC程序结构如图4所示，包括初始化程序模块OB100、公用模块FC1、手动模块FC2、自动模块FC3、模拟量模块FC4、报警模块FC5。PLC的软件结构如图4所示，初始化模块OB100在PLC系统启动时只被调用一次，将整个系统进行初始化，循环组织模块OB1实现系统的总体架构，提供系统功能实现的框架和基础，以循环扫描方式调用其它功能块或系统块。当选择M(手动模式)，OB1调用模块FC2实现系统的手动运行，当选择 A(自动模式)，OB1调用模块FC3实现系统的自动运行，模拟量模块FC4的主要作用是将0～27 648的数字量转化为实际的工程量，以便送上位机显示。FC5为报警模块，在系统出现故障或者运行参数超出一定范围时，发出报警信息，提示操作员作相应处理。循环中断组织块OB35用来实现对特殊内部事件或外部事件的快速响应。

图4 PLC软件结构图

4.2 上位机软件的设计

由于本系统的自动化程度较高，设备运行过程中各个执行机构的动作比较复杂，传统的操作人员通过现场观察窗，对设备进行监控，不仅难以全面掌握设备的实时运行状态，而且由于起爆药的高危险性，也对操作人员存在一定的安全隐患，所以设计一个远程的设备实时工艺流程监控系统尤为必要。

本实时工艺流程监控系统采用WinCC V6.0编写，系统开机后，上位机的启动监视界面及为起爆药连续化合监控主界面，如图5所示。该界面提供起爆药连续化合过程的主要参数的监视与动态的模拟，包括反应釜的化合温度、搅拌速度、液位高度，及出料次数，水洗次数，酒精脱水次数。

图5 上位监控主界面图

监控画面分为四个区域:左上角为指示灯区，显示系统的运行状态，绿色为运行，红色为停止。中间部分为主画面区，采用抽象的手法，对整个化合系统进行模拟。系统管路上的阀门以及计量泵、废水搅拌器、真空泵变成绿色时表示运行，红色为停止。主画面下边是系统的文字报警栏，当系统不满足初始条件或在运行中出现故障时，会进行文字报警提示。画面的底端为按钮区，实现不同监视界面与功能的切换，主要包括参数设置、报警管理、趋势显示、报表输出及系统退出。

5 系统冗余设计

因起爆药的高危险性，控制系统的可靠性直接影响整个起爆药连续化合生产中的安全，所以对整个系统进行冗余设计，提高起爆药连续化合生产的安全性。

5.1 软件冗余设计

软件设计了手动程序、初始化程序、报警程序等，如在系统运行到某一工艺点，控制系统发出执行某一动作指令，在规定时间内该动作没有完成，则信息会反馈给控制系统，控制系统将按照预设定程序进行处理，例如报警、停机，同时在控制系统人机界面上显示该故障点及原因。

5.2 电源及气动设备的冗余设计

电网的供电有时可能出现电压持续过高、电压持续过低、电压瞬间过高、电压瞬间过低、雷击、突破、杂讯干扰等情况，且有时出现故障而突然断电，前者可导致系统等无法正常工作，后者可造成起爆药连续化合设备停车及误动作，甚至引发危险［5］。为避免此类情况发生，系统所用交流电源采用无扰切换，交流切换装置是当起爆药连续化合控制系统中的一路AC220 V失电时，能立即无扰动的自动切换到另一路供电。控制系统的供电采用UPS系统，输入、输出24 V电源均采用冗余电源。系统中用到的阀较多，现场所有的阀均采用气动阀，通过电磁阀控制气路，完成气动阀的控制，反应釜的搅拌采用气动马达。系统的供气方式采用远程-现场供气，当远程气路突然中断时，现场储气罐为气动设备提供足够的压力，保证了系统的正常工作，提高了系统运行的可靠性。